تصویربرداری نوری یکی از روش‌های مهم در علوم زیستی، پزشکی و مهندسی است که با استفاده از نور مرئی و غیرمرئی، اطلاعات ارزشمندی از نمونه‌های بیولوژیکی و مواد ارائه می‌دهد. این تکنیک بر اساس برهمکنش نور با ماده، از جمله جذب، بازتاب، پراکندگی و ویژگی فلورسانس، عمل می‌کند. در این مقاله، به بررسی اصول تصویربرداری نوری، طول‌موج‌های مورد استفاده، فیلترهای دستگاه، انواع فلورسانس، کاربردها، مزایا و معایب این فناوری پرداخته می‌شود.

 

مقدمه

تصویربرداری نوری (Optical Imaging) به مجموعه‌ای از روش‌های تصویربرداری گفته می‌شود که از نور برای ایجاد تصاویر با وضوح نسبی بالا از ساختارهای میکروسکوپی و ماکروسکوپی استفاده می‌کنند. این روش‌ها به دلیل غیرتهاجمی بودن، سرعت بالا و هزینه نسبتاً پایین، در حوزه‌های مختلفی مانند پزشکی (تشخیص بیماری‌ها)، زیست‌شناسی مولکولی (مطالعه سلول‌ها و بافت‌ها) و علوم مواد (بررسی خواص نوری و ساختاری) کاربرد گسترده‌ای دارند.

 

طول‌موج‌های مورد استفاده در تصویربرداری نوری

نور مورد استفاده در تصویربرداری نوری می‌تواند در محدوده‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی باشد:

• فرابنفش (UV: 100–400 nm): برای تحریک فلورسانس در برخی مولکول‌ها مانند DNA و پروتئین‌ها.

• مرئی (Visible: 400–700 nm): متداول‌ترین محدوده برای تصویربرداری معمولی و فلورسانس.

• فروسرخ نزدیک (NIR: 700–1400 nm): به دلیل نفوذ بیشتر در بافت‌ها، در تصویربرداری پزشکی کاربرد دارد.

• فروسرخ میانی و دور (MIR & FIR: 1400 nm–1 mm): در طیف‌سنجی و تصویربرداری حرارتی استفاده می‌شود.

 

طول‌موج‌های تحریک و بازنشر

دیده فلورسانس زمانی رخ می‌دهد که یک ماده، نور را در یک طول‌موج جذب کرده و در طول‌موج بلندتری (انرژی کمتر) منتشر کند.

• تحریک (Excitation): معمولاً در محدوده UV/مرئی/NIR انجام می‌شود.

• بازنشر (Emission): در محدوده مرئی یا NIR اتفاق می‌افتد.

 

انواع فلورسانس در تصویربرداری نوری

 

• فلورسانس ذاتی (Autofluorescence): نور ساطع‌شده از مولکول‌های طبیعی مانند کلاژن و NADH.

• فلورسانس مصنوعی (برچسب‌های فلورسنت): استفاده از رنگ‌ها (مثل FITC) یا پروتئین‌های فلورسنت (مثل GFP).

• فلورسانس کوانتومی (Quantum Dots): نانوذرات نیمه‌هادی با بازده فلورسانس بالا.

• فسفرسانس (Phosphorescence): انتشار نور با تأخیر زمانی بیشتر نسبت به فلورسانس.

 

 کاربردهای تصویربرداری نوری

تصویربرداری نوری با بهره‌گیری از نور در طیف‌های مختلف، به عنوان ابزاری قدرتمند در پزشکی و تحقیقات زیستی شناخته می‌شود. این روش علاوه بر تشخیص (بطور مثال تصویربرداری OCT برای بررسی ساختار چشم انسان)، در مطالعات مولکولی و درمان‌های هدفمند زیر نیز کاربرد دارد.

• تشخیص و ردیابی تومورها و متاستازها

• مطالعه پیشرفت بیماری‌ها و ارزیابی درمان

• بررسی فرآیندهای بیولوژیکی در سطح مولکولی

• استفاده در درمان‌های هدایت‌شده و هدفمند

 

ویژگی‌های تصویربرداری نوری

• غیرتهاجمی بودن: نیاز به برش نمونه ندارد.

• وضوح فضایی بالا: در میکروسکوپ‌های نوری تا حد نانومتر قابل بهبود است.

• سرعت بالا: امکان تصویربرداری بلادرنگ (Real-time Imaging).

• چندطیفی (Multispectral): امکان تصویربرداری همزمان در چند طول‌موج.

 

ویژگی‌های دستگاه فلوویژن آزمایشگاه پیش‌بالینی دانشگاه علوم پزشکی مشهد:

• امکان تصویربرداری ماکروسکوپیک از حیوانات آزمایشگاهی (موش و رت)
• امکان تصویربرداری دو بعدی
• استفاده از انواع مولکول های فلورسنت و نانوذرات و کوانتوم دات ها در این مدالیته تصویربرداری
• ایجاد تصاویر عملکردی از بافت های زنده (in vivo)
• امکان تصویربرداری از ارگان (ex vivo)
• امکان تصویربرداری با رزلوشن 0.5 میلیمتر
• میدان دید (FOV): 12×12 cm
• طول موج LEDها (nm): 390, 460, 485, 630
• فیلترهای انتشار فلورسانس (nm): 450/40, 500/40, 540/10, 560/10, 700/40, 800/40

 

کاربردها

• بررسی عملکرد اعضای مختلف
• بررسی میزان اثربخشی داروها
• رهیابی داروها، ژن ها و سلول ها
• بررسی چگونگی میزان توزیع داروها

 

مزایا و معایب تصویربرداری نوری

مزایا:

✅ هزینه پایین نسبت به روش‌هایی مانند MRI و CT.
✅ عدم نیاز به مواد رادیواکتیو.
✅ قابلیت تصویربرداری زنده (In vivo).

✅ امکان تصویربرداری Real Time

معایب:

❌ محدودیت در نفوذ نور (در بافت‌های ضخیم).
❌ امکان تداخل نویز نوری (Autofluorescence).
❌ نیاز به آماده‌سازی نمونه در برخی موارد (استفاده از رنگ‌های فلورسنت).

تصویربرداری نوری به‌عنوان یک فناوری قدرتمند، تحول بزرگی در علوم زیستی و پزشکی ایجاد کرده است. با پیشرفت فناوری‌هایی مانند میکروسکوپ‌های سوپررزولوشن و نانوذرات فلورسنت، دقت و کارایی این روش در حال افزایش است. با این حال، چالش‌هایی مانند محدودیت نفوذ نور در بافت‌های عمیق نیاز به توسعه روش‌های ترکیبی (مانند تصویربرداری نوری-آکوستیک) دارد.

 

 

1. تشخیص و ردیابی تومورها و متاستازها

تصویربرداری نوری میکروسکوپی به دلیل دقت بالا و توانایی تفکیک ساختارهای سلولی، به عنوان روشی کارآمد در تشخیص سرطان و شناسایی متاستازها به کار می‌رود. این روش می‌تواند با استفاده از نشانگرهای فلورسنت، سلول‌های سرطانی را مشخص کرده و به پزشکان در تشخیص زودهنگام کمک کند. همچنین امکان تصویربرداری غیرتهاجمی باعث می‌شود که این روش برای پایش مداوم تومورها بدون آسیب به بیمار مناسب باشد.

2. مطالعه پیشرفت بیماری‌ها و ارزیابی درمان

با استفاده از تصویربرداری نوری، پزشکان و محققان می‌توانند تغییرات در بافت‌های بیمار را طی زمان بررسی کرده و میزان تأثیر روش‌های درمانی را ارزیابی کنند. برای مثال، در درمان سرطان، این روش می‌تواند به بررسی کاهش حجم تومور پس از شیمی‌درمانی یا پرتودرمانی کمک کند. این اطلاعات ارزشمند، به تصمیم‌گیری بهتر در مورد ادامه یا تغییر روش درمان منجر می‌شود.

3. بررسی فرآیندهای بیولوژیکی در سطح مولکولی

در تحقیقات پایه، تصویربرداری نوری برای مشاهده واکنش‌های بیولوژیکی در سطح سلولی و مولکولی به کار می‌رود. استفاده از پروب‌های فلورسنت به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حرکت و رفتار سلول‌ها و مولکول‌های خاص را در محیط زنده ردیابی کنند. این روش در مطالعه عملکرد پروتئین‌ها، سیگنال‌دهی سلولی و تعاملات بین‌مولکولی نقش کلیدی دارد.

 

4. استفاده در درمان‌های هدایت‌شده و هدفمند

تصویربرداری نوری می‌تواند به‌طور همزمان با روش‌های درمانی به کار رود تا داروها به‌صورت هدفمند به محل موردنظر هدایت شوند. برای مثال، نانوذرات طلا که با مولکول‌های خاص ترکیب شده‌اند، می‌توانند به سلول‌های سرطانی متصل شوند و پس از تحریک با لیزر، سلول‌های سرطانی را از بین ببرند. این روش باعث افزایش کارایی درمان و کاهش آسیب به سلول‌های سالم می‌شود.

تصویربرداری نوری با این کاربردهای گسترده، به عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های تشخیصی و درمانی در پزشکی مدرن شناخته می‌شود و نقش حیاتی در پیشرفت علم پزشکی و زیست‌شناسی ایفا می‌کند.

 

انواع کاربردهای تصویربرداری نوری در تشخیص بالینی

تصویر برداری نوری انواع مختلفی دارد که در این بخش می‌خواهیم شما را با مهمترین این موارد آشنا کنیم؛ از شما دعوت می‌کنیم ادامه مطلب را با دقت بیشتری مطالعه کرده تا گزینه مناسب را برای تحقیقات خود انتخاب کنید.

1. آندوسکوپی (Endoscopy)

آندوسکوپی یک روش تصویربرداری است که با استفاده از یک لوله انعطاف‌پذیر با منبع نور برای مشاهده اندام‌های داخلی بدن به کار می‌رود. این تکنیک عمدتاً برای بررسی دستگاه گوارش، مجاری تنفسی، مفاصل و دیگر نواحی داخلی بدن استفاده می‌شود. آندوسکوپ از طریق دهان یا مقعد وارد بدن می‌شود و تصاویری از داخل بدن برای تشخیص بیماری‌ها یا بررسی علائم می‌گیرد.

2. توموگرافی همدوسی نوری (OCT – Optical Coherence Tomography)

توموگرافی همدوسی نوری یک تکنیک تصویربرداری است که از نور نزدیک به مادون قرمز برای ایجاد تصاویر مقطعی بافت‌ها استفاده می‌کند. این روش به‌ویژه در چشم‌پزشکی برای مشاهده دقیق شبکیه و تشخیص بیماری‌هایی مانند گلوکوم یا دژنراسیون ماکولا کاربرد دارد. همچنین در قلب‌پزشکی برای بررسی لایه‌های داخلی عروق کرونر و شناسایی بیماری‌های قلبی کاربرد دارد.

3. تصویربرداری فوتوآکوستیک (Photoacoustic Imaging)

در تصویربرداری فوتوآکوستیک، پالس‌های لیزر غیر یونیزه کننده به بافت تابانده می‌شوند (اگر از پالسهای فرکانس رادیویی استفاده شود از این تکنولوژی با عنوان تصویر برداری ترموآکوستیک یاد می‌شود). مقداری از انرژی دریافتی توسط بافت جذب و به گرما تبدیل و باعث ایجاد انبساط ترمو الاستیک گذرا و تولید امواج اولتراسوند (فراصوت) پهن باند (برای مثال در حدود مگاهرتز) می‌شود سپس امواج اولتراسوند تولیدی توسط مبدل‌های التراسوند تشخیص داده و برای ساخت تصویر تحلیل می‌شوند. ارتباط نزدیک جذب نور با خواص فیزیولوژیکی پدیده ایست قابل درک، برای مثال ارتباط بین غلظت هموگلوبین و انباشت اکسیژن. به همین دلیل، اندازهٔ موج اولتراسونیک (برای مثال سیگنال فوتوآکوستیک)، که با مقدار انرژی در آن محل متناسب است، اختلاف بین جذب نور مربوط به ویژگی فیزیولوژی بافتها را آشکار می‌کند. تصاویر دو بعدی یا سه بعدی از نواحی مورد نظر را به همین علت می‌توان ساخت.

4. توموگرافی و تصویربرداری نوری پراکنده (DOT و DOI – Diffuse Optical Tomography & Imaging)

توموگرافی و تصویربرداری نوری پراکنده (DOT و DOI – Diffuse Optical Tomography & Imaging) از نور در محدوده مادون قرمز نزدیک برای اندازه‌گیری ویژگی‌های بافتی مانند غلظت هموگلوبین و سطح اکسیژن خون استفاده می‌کنند. DOT و DOI در تصویربرداری از سرطان پستان، تشخیص سکته مغزی، بررسی عملکرد مغز و نظارت بر اثرات درمان‌های فوتودینامیک و پرتودرمانی بسیار مفید هستند.

5. طیف‌سنجی رامان (Raman Spectroscopy)

طیف‌سنجی رامان از پراکندگی نور لیزر در مواجهه با مولکول‌های مواد برای شناسایی ویژگی‌های شیمیایی مواد استفاده می‌کند. این روش برای تحلیل ترکیبات شیمیایی، شناسایی مواد و بررسی ساختار مولکولی بافت‌ها بسیار مؤثر است. طیف‌سنجی رامان همچنین در نظارت بر گازهای بیهوشی حین جراحی کاربرد دارد.

6. میکروسکوپ با تفکیک‌پذیری فوق‌العاده (Super-Resolution Microscopy)

این تکنیک از روش‌های پیشرفته تصویربرداری برای گرفتن تصاویر با دقت بسیار بالا از سلول‌ها و مولکول‌های منفرد استفاده می‌کند. یکی از نمونه‌های مشهور آن PALM (میکروسکوپ ناحیه‌ای فعال شده با نور) است که از مولکول‌های فلورسانس برای ایجاد تصاویری با وضوح بالا از مولکول‌های منفرد در داخل سلول یا بافت استفاده می‌کند.

هرکدام از این روش‌ها مزایای خاص خود را دارند و در زمینه‌های مختلف پزشکی و تحقیقاتی به‌کار می‌روند.

 

 

سخن پایانی 

این مقاله به بررسی مزایا و کاربردهای تصویربرداری نوری در پزشکی پرداخته است. تصویربرداری نوری به دلیل عدم استفاده از تشعشعات یونیزه، هزینه کم و توانایی ترکیب با دیگر روش‌ها، ابزاری مهم در تشخیص و درمان بیماری‌ها به شمار می‌آید. از کاربردهای آن می‌توان به تشخیص تومورها، مطالعه پیشرفت بیماری‌ها، بررسی فرآیندهای بیولوژیکی در سطح مولکولی و درمان‌های هدفمند اشاره کرد. همچنین پژوهش‌های پیشرفته در زمینه‌های گلوکوم، آسیب‌های عصبی ناشی از ایست قلبی و نظارت بر شیمی‌درمانی سرطان پستان، پتانسیل‌های جدیدی برای بهبود درمان‌ها و نتایج پزشکی ارائه می‌دهد.